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La mésosphère est la couche de l'atmosphère terrestre comprise entre 50 km d'altitude, au-dessus de la stratosphère et 90 km d'altitude. La frontière avec la couche supérieur s'appelle la mésopause.
Dans cette couche, la température décroit avec l'augmentation de l'altitude. C'est à sa limite supérieure qu'on trouve les températures les plus basses de l'atmosphère terrestre : elle peut atteindre 100 kelvin, soit -173°C.
C'est une zone de transition entre la Terre et l'Espace. En y pénétrant, pour descendre sur Terre, les météorites, satellites, etc. s'échauffent contre les quelques particules d'air qu'ils rencontrent et sont détruits avant d'atteindre le sol, sauf pour les plus grosses pièces. Les vaisseaux habitées, navettes spatiales, capsules Soyouz, doivent être protégés pour pouvoir passer cette couche qui va les freiner pour atteindre le sol en douceur.